石英音叉谐振式温度传感器及关键技术的研究

【摘要】：石英晶体温度传感器的工作原理是基于压电谐振器对温度的热敏感性，属于热敏型压电谐振传感器。石英晶体温度传感器具有精度高、迟滞小和稳定性好等优点，是一种以频率作为输出信号的准数字温度传感器，在高精密测温领域中发挥着重要的作用。 各向异性的石英晶体具有压电效应属于压电弹性体，存在固有谐振频率，其谐振频率特性与晶体的切向密切相关。通过合理设计石英晶体的切向，可使石英晶体的谐振频率与温度密切相关，因此可根据石英晶体的频率温度特性来设计制造温度传感器。 石英音叉谐振式温度传感器是石英晶体温度传感器的一个分支，基本原理是外界的温度变化引起石英音叉谐振器的频率变化，通过检测石英音叉谐振器的频率变化来检测温度的变化。石英音叉谐振式温度传感器具有分辨率高、体积小、成本低、功耗低、抗干扰能力强、稳定性好等特点，是低功耗高精密温度传感器研究的重要方向之一。 本文提出了一种MEMS石英音叉谐振式温度传感器，采用石英晶体热敏新切型，使该新型温度传感器的灵敏度相比于传统的石英音叉温度传感器具有较大的提升。论文针对石英音叉谐振式温度传感器的基础理论、设计方法、加工工艺和测量方法等关键技术问题进行了较为全面深入的研究，主要完成以下工作： 1．提出了基于MEMS石英音叉谐振式温度传感器新结构，确定了传感器研究的总体方案。 2．阐述了基于压电振动理论的石英音叉谐振式温度传感器的基本结构与工作原理；分析了石英音叉的谐振器结构特性，采用H型音叉臂和合理的电极设置，提高了谐振器的品质因数，从而提高了传感器的信噪比；基于压电本构方程和弹性力学振动理论，建立了石英音叉压电悬臂梁弯曲振动的力学振动模型，推导出振动方程，实现对石英音叉谐振频率的求解。 3．基于石英音叉谐振器的频率温度特性，建立了石英晶体频率温度系数的理论分析模型，在满足石英晶体谐振式传感器设计要求的前提下，通过双坐标旋转设计了石英晶体的热敏新切型；建立了石英音叉谐振式温度传感器灵敏度计算模型，估算灵敏度约为–2Hz/℃。 4.基于压电效应和机电耦合理论，在考虑石英音叉的机电特性的前提下，基于汉密尔顿理论，推导出压电晶体的有限元计算方程；并利用ANSYS软件对设计的石英音叉谐振器进行了模态仿真分析和结构优化；设计了传感器的MEMS加工工艺流程，成功研制出石英音叉谐振式温度传感器样机。 5.研制了基于电容补偿的闭环正反馈振荡电路，搭建了石英音叉谐振式温度传感器测试平台；在-20~100℃的温度范围内，测试了石英音叉谐振式温度传感器样机的主要性能参数，灵敏度为–1.9Hz/℃、非线性误差为1.8%、分辨力为0.0125℃。